撩开石墨烯头上的神秘面纱，看到一个万花筒般的新型材料世界

#2021开年演讲#

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子材料，是碳的二维结构，是一种“超级材料”，硬度超过钻石，同时又像橡胶一样可以伸展。它的导电和导热性能超过任何铜线，重量几乎微乎其微。

科学家们一致认为，石墨烯是现代社会带有革命性的新型材料。

在认识、了解石墨烯之前，我们先重温一下有关化学元素的相关知识。

物质是由分子组成的，分子是由原子组成，原子是由带正电荷原子核和带负电荷的电子组成，原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成。

化学元素，原子核带正电荷的数目相同，而中子数目不相同，我们称这种元素为该种化学元素的同位素。

例如元素氢就有三种同位素，氕、氘、氚，氢弹的核爆炸就是氢的这三种同位素核聚变产生的。

化学元素碳C，原子核带有6个正电荷，核外6个电子分两层围绕原子核旋转，最外一层有4个电子，各原子之间按照不同的结构排列组成某种单一的化学单质。

科学界把某一化学元素，原子之间按照不同的排列构成，但性质却不相同的单质称之为该种元素的同素异形体。

碳原子能够以多种方式结合在一起，形成截然不同的材料，比如比较柔软的黑色石墨、极薄的石墨烯，还有坚硬而透明的金刚石，它们都可以认为是碳的同素异形体。

同素异形体之间在一定条件下可以相互转化，这种转化是一种化学变化。

举例来说，石墨是碳C的同素异形体，原子之间呈多层结构排列很松散，层与层之间化学键不牢固，铅笔芯的主要成分就是石墨，原子之间结构排列如下图。

将石墨放入能承受高温高压的金属釜中，放入炸药并引燃。高压釜中的空气压强在瞬间会达到10000kg/每平方厘米之多，同时温度也会达到几千摄氏度，在这种高温、高压的环境下，石墨的原子排列将会重新排列组合，由原来的多层松散化学键组合变成立方体矩形组合，石墨也会摇身一变，变成了人造金刚石。我们日常所说的“点石成金”大概就是指石墨演变为金刚石过程。

初始时期制造金刚石的设备～高压釜，如下图。

使用炸药爆炸在高压釜中瞬间形成的高温高压，是一种简易方便的制造金刚石的工艺，随着科学技术手段的提高，人们已经能够通过多种技术和方法来制造金刚石了。

石墨、人造金刚石都是化学元素碳C的同素异形体，但是物理性能却截然不同。

在2004年，英国科学家通过实验手段发现，将原子结构多层排列组合的石墨，逐步剥离分层，当剥离到仅剩最后一层时，即是原子之间排列组合已经成为一个平面二维结构时，诡异的现象发生了，这种原子排列结构的石墨，导电性、抗拉强度、耐低温、耐受化学腐蚀等特性远远超出了纯铜和特殊钢材。人们把这种原子排列呈现为二维平面结构的碳命名为石墨烯:C-60，原子之间结构排列如下图。

这位英国科学家因为发现了石墨烯从而获得了物理学诺贝尔奖。

石墨烯也是化学元素碳C的同素异形体。

由于石墨烯是碳原子排列最小的单层结构，即二维平面结构，其纤维直径只有一根头发丝的二十万分之一，而抗拉强度是钢铁的几百倍！其特殊的导电性能，抗低温性能，耐受化学腐蚀性能等等，都是现有已知金属所不具备的，所以科学家能称:石墨烯材料是本世纪出现的一种革命性的新型材料。

之所以说石墨烯是带有革命性的新型材料，是因为它的特殊、优异的性能是现在其它任何材料所不具备的

举例来说一下。

石墨烯可以用来制造由从空气中提取的氢提供动力的移动发电机。国外的科学研究小组发现，尽管石墨烯即使对最小的原子也是不可渗透的，但它可以用来筛选被剥离电子的氢原子。这意味着，石墨烯薄膜可以用来极大地提高质子传导膜的效率，质子传导膜是燃料电池技术的重要组成部分。科学家设想，未来汽车可以仅靠环境空气中微量的氢气提供动力，研究人员表示：“从本质上讲，可以从大气中抽出燃料并从中获得电力。”

石墨烯甚至可以帮助解决世界水危机。由石墨烯制成的膜既可以让水通过，但又足以过滤掉盐。换句话说，石墨烯可以彻底改变海水淡化技术。美国麻省理工学院的研究人员发现，这种材料的透水率比传统的反渗透膜高几个数量级，纳米多孔石墨烯可能在水净化方面发挥有价值的作用。

事实上，有一种类型的石墨烯已经被证明在水过滤方面非常有效，它使悉尼港的水样在通过过滤器一次后就可以安全饮用。澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的研究人员使用了一种名为“GrapHair”的石墨烯形式，使海水经过单一处理后可以饮用。

石墨烯淡化海水成本低，可直接饮用

CSIRO的科学家表示，这项技术只需一步，就可以制造出干净的饮用水，无论它有多脏。

与燃料电池相同的不渗透性提高了石墨烯的其他潜在用途，包括将蚊子拒之门外。在这个应用中，研究人员发现了两种途径来阻止这些致命的昆虫。多层石墨烯可以阻止蚊子感知皮肤或汗液相关化学物质的能力，这为处理蚊子提供了一种不寻常的非化学方法。最重要的是，这些层提供了一个蚊子根本无法咬穿的物理屏障。

研究人员表示，有了石墨烯，蚊子甚至都不会落在皮肤上。科学家原本以为石墨烯只是一种物理屏障，通过抗刺穿作用，阻止蚊子叮咬，但当看到这些实验时，发现它也是一种化学屏障，可以阻止蚊子感知到有人在那

由于石墨烯具有超导、强度高、耐受低温、抗化学腐蚀等的一些特殊优异的性能，被广泛应用于电子高端设备制造，电子芯片、化工设备、飞机机身、高铁建设以及很多民用领域等。

在建筑工程上，使用石墨烯可以为混凝土梁、柱的加固补强。早些年人们曾经应用碳纤维对建筑的混凝土梁、柱、板进行加固补强起到的很好的作用，制作的钓鱼竿轻便而且刚度高，而石墨烯材料更胜碳纤维一筹。

随着提取石墨烯工艺技术的不断提高，其应用将会更加广泛，有些石墨烯材料制造的产品会在一定程度上改变我们的生活。

提取石墨烯的基础材料是石墨，我国是世界上石墨储藏量最多的国家，主要分布在东北一带，而东北的石墨主产地是在鸡西。

鸡西是我国石墨矿藏含量最大、品相最好的产地，很多高科技企业已经进入黑龙江省鸡西市，从事开发、利用石墨烯的研究工作，已经有很多石墨烯产品问世。

随着从石墨中提取石墨烯的工艺不断改进与进步，可以相信，我国在石墨烯技术的开采与利用上，一定能走在世界的前列。